Главная страница  |  Описание сайта  |  Контакты
СПОСОБ РЕГИСТРАЦИИ ПАРАМЕТРОВ ОДИНОЧНОГО ПРЯМОУГОЛЬНОГО ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ИМПУЛЬСА ТОКА
СПОСОБ РЕГИСТРАЦИИ ПАРАМЕТРОВ ОДИНОЧНОГО ПРЯМОУГОЛЬНОГО ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ИМПУЛЬСА ТОКА

СПОСОБ РЕГИСТРАЦИИ ПАРАМЕТРОВ ОДИНОЧНОГО ПРЯМОУГОЛЬНОГО ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ИМПУЛЬСА ТОКА

Патент Российской Федерации
Суть изобретения: Использование: в энергонезависимых способах регистрации амплитуды и длительности одиночных электрических импульсов. Сущность изобретения: измеряют параметр чувствительного элемента под воздействием исследуемого импульса, определяют амплитуду импульса по заранее полученной экспериментальной зависимости между параметрами импульса и чувствительного элемента, исследуемым импульсом воздействуют одновременно на N ≥ 2 сегнетоэлектрических чувствительных элементов, выполненных из одного и того же сегнетоэлектрика, обладающего аффинным током переключения поляризации, вызывают в них частичное или полное переключение поляризации при различных значениях Ej= Vo· μ-j1 напряженности поля E в сегнетоэлектрике, измеряют степень изменения поляризации сегнетоэлектрика, по измеренным значениям ΔPj из первой заранее полученной экспериментальной зависимости ΔP = f(t/τ) определяют отношение длительности исследуемого импульса Tо к времени полного переключения сегнетоэлектрика τj при напряженностях поля Ej из второй экспериментальной зависимости τ = ϕ(E) по полученным значениям ηj и известным значениям μj определяют амплитуду Vo и длительность To исследуемого импульса. 4 ил.
Поиск по сайту

1. С помощью поисковых систем

   С помощью Google:    

   С помощью Яндекс:  

2. Экспресс-поиск по номеру патента


введите номер патента (7 цифр)

3. По номеру патента и году публикации

2000000 ... 2099999   (1994-1997 гг.)

2100000 ... 2199999   (1997-2003 гг.)
Номер патента: 2029311
Класс(ы) патента: G01R19/04
Номер заявки: 4926976/21
Дата подачи заявки: 09.04.1991
Дата публикации: 20.02.1995
Заявитель(и): Всероссийский научно-исследовательский институт экспериментальной физики
Автор(ы): Толстиков И.Г.
Патентообладатель(и): Всероссийский научно-исследовательский институт экспериментальной физики
Описание изобретения: Изобретение относится к метрологии, а именно к энергонезависимым способам регистрации основных параметров (амплитуды и длительности) одиночных электрических импульсов, и может быть использовано при проведении испытаний различных технических систем для регистрации, например, факта срабатывания и основных параметров сигналов датчиков однократного действия в аварийной ситуации, испытательных токов от мощных импульсных генераторов и т.п.
Известен способ измерения амплитуды одиночного прямоугольного электрического импульса, предусматривающий преобразование сигнала в нескольких параллельных каналах с различными постоянными времени, умножения проинтегрированного значения на соответствующий масштабный коэффициент и определение амплитуды.
Способ относится к традиционным способам регистрации электрических импульсов, связанных с использованием сложных электронных устройств с относительно большими габаритно-массовыми характеристиками, источников питания, измерительных линий. Поэтому использование способа ограничено в ряде применений, когда имеются жесткие лимиты по массе, габаритам, энергопотреблению, требуется постоянная готовность к работе.
В таких ситуациях могут быть использованы энергонезависимые способы регистрации, в которых для записи и сохранения информации о параметрах исследуемых импульсов не требуются источники питания. Информация в энергонезависимых способах записывается и сохраняется с помощью чувствительных элементов (ЧЭ), физическое состояние которых изменяется под воздействием электрического импульса или создаваемого им магнитного поля, а после воздействия сохраняется достаточно длительное время. Параметры исследуемого импульса оцениваются затем по степени изменения исходного состояния ЧЭ. Использование энергонезависимых способов позволяет, как правило, производить измерения с помощью постоянно готовых к работе миниатюрных регистраторов, размещаемых в непосредственной близости к нагрузке, в которую поступает исследуемый импульс.
Известны способы регистрации амплитуды электрического импульса, согласно которым об амплитуде судят по величине остаточной намагниченности ферромагнитных ЧЭ, намагничиваемых магнитным полем, создаваемым измеряемым импульсом. Однако использование этих способов целесообразно только для регистрации электрических импульсов в уединенных проводниках, поскольку для их реализации необходимо знать картину распределения магнитного поля, вклад в него исследуемого импульса и влияние посторонних токов, что само по себе часто представляет сложную задачу.
Наиболее близким к заявляемому является способ регистрации амплитуды одиночного импульса, основанный на измерении измененного под влиянием исследуемого импульса параметра ЧЭ, согласно которому исследуемым импульсом воздействуют на полупроводниковый элемент, вызывая его необратимый тепловой или лавинно-тепловой пробой, измеряют остаточное сопротивление пробитого полупроводникового элемента и по заранее полученной экспериментальной зависимости между амплитудой импульса и остаточным сопротивлением полупроводникового элемента определяют амплитуду исследуемого импульса.
Этот способ не позволяет одновременно с амплитудой импульса регистрировать его длительность. Кроме того, его можно использовать только для регистрации импульсов с достаточно большой длительностью, превышающей единицы миллисекунд. Использование в способе полупроводникового элемента, подключенного последовательно к нагрузке, сопротивление которого значительно изменяется в процессе регистрации, может привести к существенному искажению формы исследуемого импульса. Указанные выше недостатки снижают информативность способа и ограничивают область его практического применения.
Целью изобретения является повышение информативности и расширение области применения способа за счет использования для регистрации элементов из сегнетоэлектрика, обладающего аффинным током переключения поляризации, что позволяет установить взаимосвязь между параметрами импульса и степенью изменения под его влиянием поляризации сегнетоэлектрика.
Цель достигается тем, что по способу регистрации параметров одиночного электрического импульса, основанному на измерении измененного под воздействием исследуемого импульса параметра ЧЭ и определении амплитуды импульса по заранее полученной экспериментальной зависимости между параметрами импульса и ЧЭ, воздействуют импульсом одновременно на N ≥2 сегнетоэлектрических элементов, выполненных из одного и того же сегнетоэлектрика, обладающего аффинным током переключения поляризации, вызывая в них полное и(или) частичное переключение поляризации при различных значениях Еj = =Uo ˙μj -1 напряженности поля Е в сегнетоэлектрике, измеряют степень изменения поляризации сегнетоэлектрика ΔРj в каждом j-м элементе, по измеренным значениям ΔРj из первой заранее полученной экспериментальной зависимости ΔР = =f(t/ τ) определяют отношения ηj длительности исследуемого импульса Ток времени полного переключения сегнетоэлектрика τj при напряженности поля Еj, из второй экспериментальной зависимости τ=ϕ (Е) по полученным значениям ηj и известным значениям μj определяют амплитуду Uo и длительность То исследуемого импульса, где τ- время полного переключения сегнетоэлектрика; t - текущее время, начиная с момента t = 0 воздействия импульса на элемент; μj - коэффициент пропорциональности между амплитудой Uo исследуемого импульса и напряженностью поля Еj, создаваемого им в сегнетоэлектрике j-го элемента, определяемый расстоянием между электродами и схемой подключения j-го элемента к нагрузке, в которой регистрируется импульс; j - номер элемента, j = 1, 2, ..., N.
Наличие признаков, новых по сравнению с прототипом, обуславливает соответствие заявляемого технического решения критерию "новизна".
Указанные отличительные признаки в известных технических решениях не обнаружены, что обуславливает соответствие заявляемого технического решения критерию "существенные отличия".
Следует отметить, что сегнетоэлектрики используются в вычислительной технике для записи и хранения в течение длительного времени логической информации в так называемых энергонезависимых запоминающих устройствах (ЗУ), содержащих ряд идентичных сегнетоэлектрических запоминающих элементов. Запись информации осуществляется обычно в двоичном коде путем подачи на элемент стандартного управляющего импульса с заданными амплитудой и длительностью, при этом производится перевод элемента из одного логического состояния (например, логического "0") в другое (например, логической "1"). Логическим состояниям "0" или "1" соответствуют физические состояния сегнетоэлектрика, характеризующиеся максимальной величиной поляризации (-Ро или +Ро). Возможно использование и промежуточных (но вполне определенных) частично-переключенных физических состояний. Считывание информации с элемента производится также стандартным (известным) импульсом.
В заявляемом техническом решении рассматривается обратная задача: определение неизвестных параметров электрического импульса (амплитуды и длительности) по известному до (Рj = Po) и измеренным после (Рj = Pkj) подачи импульса значениям поляризации Рj сегнетоэлектрика в элементах. Более того в предлагаемом решении этой задачи существенное в вычислительной технике свойство сегнетоэлектрика сохранять в течение длительного времени реализовавшееся после подачи импульса частично или полностью поляризованное состояние не является необходимым. Действительно в предлагаемом решении сохранение реализовавшегося состояния необходимо лишь в течение относительно короткого интервала времени, достаточного для измерения Рkj.
Сущность заявляемого способа заключается прежде всего в использовании свойства аффинности (т.е. сохранения при изменении приложенного поля формы) импульса тока переключения поляризации некоторых сегнетоэлектриков. Именно это свойство и позволяет в конечном итоге определить вклады полевого (Uo) и временного (То) факторов, вносимые последними в процессе импульсного переключения сегнетоэлектрика в интегральную характеристику этого процесса - степень изменения поляризации сегнетоэлектрика ΔРj = Po - Pkj. Определение этих вкладов, т. е. нахождение величин Uo и То, оказывается, как показано ниже, возможным, если в эксперименте зарегистрировать величины Δ Рj для одного и того же сегнетоэлектрика по крайней мере при двух различных значениях действующего в нем электрического поля Нj.
Для реализации такой возможности по заявляемому способу исследуемым импульсом воздействуют одновременно на N ≥2 элементов, вызывая в них полное и(или) частичное переключение поляризации сегнетоэлектрика при различных Еj. Последнее легко обеспечить, например, за счет выбора элементов с различной толщиной Хj слоя сегнетоэлектрика между электродами и параллельного подключения элементов непосредственно к нагрузке или за счет подключения идентичных элементов к нагрузке через соответствующие высокоомные делители напряжения и т.п. При этом обеспечивается линейная зависимость между амплитудой приложенного к нагрузке напряжения Uo и величиной напряженности поля Еj в j-м элементе, характеризуемая коэффициентом пропорциональности μj. В первом из рассмотренных случаев μj = Xj, во втором μj = Xo˙ R2j(R1j + R2j)-1, где Хо = Хj = =const; R1j, R2j - сопротивления в плечах высокоомного делителя, к последнему из которых в данном примере подключается j-й элемент.
После воздействия исследуемого импульса измеряют степень изменения поляризации ΔРj сегнетоэлектрика в каждом j-м элементе. Измеренные значения ΔРj и известные значения μj = Uo˙ Ej-1 несут в себе информацию о параметрах исследуемого импульса. Извлечение этой информации осу- ществляется с помощью экспериментальных зависимостей ΔР = f(t/τ ) и τ=ϕ (Е), получаемых заранее из результатов исследования импульсных токов переключения поляризации сегнетоэлектрика. В общепринятой редакции опытов в таких исследованиях регистрируется временная зависимость тока переключения при воздействии на поляризованный до насыщения (Р = Ро) сегнетоэлектрический элемент прямоугольного импульса напряжения в направлении, противоположном вектору поляризации сегнетоэлектрика. Форма импульса плотности тока переключения (поляризационного тока) i(t) показана на фиг. 1. Она характеризуется наличием пика im в соответствующий момент tm, а также временем τ полного переключения сегне- тоэлектрика. Для большинства исследованных сегнетоэлектриков полученные экспериментальные зависимости τ=ϕ(Е) имеют вид
τ = τ· exp(α/E) (1) при этом im ≈ τ-1, где τ, α - константы ( α - поле активации). Формула (1) справедлива в широком интервале времен τ от ≈10-7 до 105 с. На фиг. 2 приведены зависимости τ = ϕ (Е) для кристаллических титаната бария (ВаТiО3) и титаната висмута (Вi4Ti3О12) в плоскости координат (lg τ -1 , E-1). Как видно из фиг. 2, в этих координатах они могут быть аппроксимированы прямыми линиями вида
lg τ -1 = A˙E-1 + B, (2) где Aи В - постоянные коэффициенты.
В процессе импульсного переключения происходит изменение поляризации сегнетоэлектрика в соответствии с соотношением ΔP(t) = i(t)dt, т.е. степень изменения поляризации Δ P(t) равна площади под кривой i(t) на фиг. 1. При этом, если длительность Т приложенного импульса напряжения Т ≥τ, то происходит полное переключение поляризации сегнетоэлектрика ( ΔР = 2Ро), если Т < τ- частичное переключение (ΔP = i(t)dt < 2Po).Следует отметить, что зависимость Δ Р(t/τ ), используемая в предлагаемом способе, неоднозначна в случае выбора произвольного сегнетоэлектрика, поскольку форма импульса i(t), в частности отношение tm/ τ, зависит от действующего поля Е. Однако для некоторых сегнетоэлектриков, например кристаллов ВаТiО3 и Вi4Ti3О12, форма импульса i(t) идентична для различных Е в широком интервале полей (указанном приблизительно на фиг. 2), т.е. кривая на фиг. 1 остается неизменной (в единицах измерения im и τ или координатах i(t)/im; t/τ ), причем уменьшение τ и соответствующее увеличение im происходит в одинаковой пропорции (im τ=const), а площадь под кривой i(t) остается, естественно, постоянной и равной 2Ро. Такой ток переключения называется аффинным, так как различные кривые i(t) можно привести, как следует из сказанного выше, к одному виду (фиг. 1) с помощью простого аффинного преобразования сжатия-растяжения плоскости относительно осей координат, другими словами с помощью соответствующего выбора масштаба по осям координат для каждой кривой i(t).
Соотношение площадей квадрируемых фигур, как известно, остается неизменным при аффинных преобразованиях. В частности, остается неизменным отношение площади заштрихованной фигуры, определяемой интервалом (0, Т/ τ) по оси абсцисс на фиг. 1, к общей площади под кривой i(t). Более того, как уже отмечалось, общая площадь под кривой i(t) остается постоянной и равной 2Ро. Поэтому площадь заштрихованной фигуры, равная Δ Р(Т/τ ), также остается постоянной при аффинных преобразованиях. Следовательно, зависимость Δ Р(t/ τ) однозначна для аффинного тока переключения (при изменении Е в широких пределах) (фиг. 3). На практике зависимость ΔР(t/τ ) можно легко получить, проинтегрировав конкретную кривую i(t) и выбрав за единицу измерения по оси абсцисс соответствующее значение τ . В заявляемом способе полученная таким образом экспериментальная зависимость ΔР(t/τ ) используется для определения по измеренным значениям ΔРj отношений ηj длительности То исследуемого импульса к времени полного переключения сегнетоэлектрика τj при напря- женностях поля Еj ηj= To ˙τj -1 (фиг. 3). Затем по известным значениям ηjиμj с помощью второй экспериментальной зависимости τ (Е) (фиг. 2) определяют амплитуду Uo и длительность То исследуемого импульса, например, следующим образом. Во-первых, можно подставить в известную зависимость (1) выражения τ= То˙η-1 и Е = Uo ˙μ-1 и получить уравнение
To= τ· η · exp(α·μ· V-o1)
Далее, подставив в это уравнение значения ηиμ для двух различных элементов, можно получить систему двух уравнений с двумя неизвестными и решить ее относительно Uo и То. В результате несложных преобразований имеют (j = k, l)
Vo= (3)
To= τ· ηk· exp
Отсюда следует, что N ≥2.
Во-вторых, по известным значениям ηjиμj можно построить в плоскости координат (lg η,μ) зависимость lg ηотμ, аппроксимировать ее прямой линией видa lg η= a ˙μ+ b и определить коэффициенты а и b. Подставив затем в уравнение полученной прямой выражения для ηи μ , приводят его к виду (2), т.е.
lg τ-1 = (a˙Uo)˙E-1 + (b - lgTo). (4)
Отсюда, сравнивая выражения (2) и (4), находят Uo = A/a и lgTo = b - B.
Таким образом, по заявляемому способу в отличие от известных удается зарегистрировать не только амплитуду, но и длительность исследуемого импульса. Кроме того, диапазон измерения по сравнению с прототипом существенно расширяется за счет возможности регистрации сигналов в микросекундной области (фиг. 2). Более того параллельное подключение сегнетоэлектрических элементов к нагрузке, их высокое сопротивление, а также возможность подключения элементов через высокоомный делитель позволяют в отличие от прототипа регистрировать сигналы без искажения их формы, в частности, в низкоомной нагрузке. Отмеченные преимущества повышают информативность и обуславливают расширение области применения способа.
На фиг. 1 представлена временная зависимость плотности тока переключения поляризации i(t) сегнетоэлектрического элемента; на фиг. 2 -зависимость lg τ-1(E-1) логарифма обратного времени полного переключения от обратной напряженности поля для кристаллических титаната бария (кривая 1) и титаната висмута (кривая 2); на фиг. 3 - зависимость Δ Р(t/ τ) степени изменения поляризации ΔP аффинного сегнетоэлектрика от приведенного времени t/ τ; на фиг. 4 - схема сегнетоэлектрического регистратора для реализации предлагаемого способа, где 3 - сегнетоэлектрический регистратор, 4 - сегнетоэлектрические элементы, 5 - электроды, 6, 7 - выводы регистратора, 8 - нагрузка (с сопротивлением R), маленькими стрелками показаны направления векторов поляризации сегнетоэлектрика в элементах при указанной (знаками "+" и "-") полярности исследуемого импульса, большой - направление действующего в сегнетоэлектрике электрического поля.
Наиболее простой сегнетоэлектрический регистратор 3 (фиг. 4) для реализации предлагаемого способа содержит N ≥2 элементов 4. Элементы 4 могут быть выполнены в виде пластин из поляризованного сегне- тоэлектрика, обладающего аффинным током переключения, например из кристаллических титаната бария (ВаТiО3) или титаната висмута (Вi4Ti3О12), с электродами 5 на двух противоположных гранях и с различными расстояниями (толщинами элементов) Хj меж- ду электродами. Вектор поляризации сегнетоэлектрика перпендикулярен электродам. Элементы соединяются друг с другом параллельно согласно с образованием общих выводов 6, 7 и помещаются в диэлектрическую среду, например трансформаторное масло.
Тип сегнетоэлектрика и геометрические размеры элементов выбираются, исходя из ожидаемых значений амплитуды Uож и длительности Тожисследуемого импульса в нагрузке 8 с помощью экспериментальной зависимости (1) (фиг. 2). Толщины Хj элементов выбираются по известному значению Uож (или Тож) так, чтобы ожидаемые значения поля в сегнетоэлектрике Еjож = Uож ˙ Xj-1 лежали в средней части указанного на фиг. 2 диапазона полей. Площадь электродов Sj и количество N элементов выбираются из условия, чтобы суммарный ток IΣ ≈ 2Po·TSj, протекающий через регистратор был значительно меньше ожидаемого тока в нагрузке Iож = Uож ˙ R-1, т.е. чтобы выполнялось соотношение
2Po·TSj ≪ Vож·R-1
Предлагаемый способ регистрации одиночного прямоугольного электрического импульса осуществляется следующим образом.
Регистратор 3 с помощью выводов 6, 7 подключается к нагрузке 8 так, чтобы электрическое поле, генерируемое исследуемым импульсом в сегнетоэлектрике, было направлено против вектора остаточной поляризации (направления поля и векторов поляризации показаны на фиг. 4 большой и маленькими стрелками соответственно). При неизвестной полярности исследуемого импульса следует, очевидно, взять два регистратора и подключить их параллельно-встречно. Затем подают исследуемый импульс в нагрузку. Воздействие импульса на элементы приводит к возникновению в их объеме различных по величине электрических полей Еj = Uo ˙ Xj-1, действующих (по крайней мере в одном из двух регистраторов) против вектора поляризации сегнетоэлектрика и вызывающих его переключение с различной интенсивностью в разных элементах. После прохождения импульса элементы электрически разъединяют и измеряют известными методами реализовавшееся значение поляризации Рkj сегнетоэлектрика в каждом j-м элементе с учетом знака (при изменении вектором поляризации своего направления на противоположное значение Рkj считается отрицательным). Далее находят степень изменения поляризации ΔРj = Po - Pkj в каждом элементе. По полученным значениям ΔРj из первой заранее полученной экспериментальной зависимости Δ Р = f(t/τ ) (фиг. 3) определяют отношения ηj = To τ j-1 . Из второй экспериментальной зависимости τ=ϕ (Е) (фиг. 2) по найденным значениям ηj и известным значениям μj = Xjопределяют амплитуду Uo и длительность То исследуемого импульса, например, по формулам (3).
На практике произведена апробация предлагаемого способа регистрации одиночного прямоугольного электрического импульса, которая показала его осуществимость и практическую ценность.
Технико-экономические преимущества заявляемого способа по сравнению с известными заключается в повышении информативности за счет возможности регистрировать не только амплитуду, но и длительность исследуемого импульса, расширении диапазона измерения за счет возможности регистрации сигналов в микросекундной области, возможности регистрации сигналов без искажения их формы, в частности, в низкоомной нагрузке за счет использования регистратора с большим входным сопротивлением, подключаемого параллельно к нагрузке. Указанные преимущества обуславливают повышение информативности и расширение области применения способа.
Формула изобретения: СПОСОБ РЕГИСТРАЦИИ ПАРАМЕТРОВ ОДИНОЧНОГО ПРЯМОУГОЛЬНОГО ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ИМПУЛЬСА ТОКА, заключающийся в том, что измеряют измененный под воздействием исследуемого импульса параметр чувствительного элемента и определяют амплитуду импульса по заранее полученной экспериментальной зависимости между параметрами импульса и чувствительного элемента, отличающийся тем, что, с целью повышения информативности и расширения области применения, воздействуют исследуемым импульсом одновременно на N (N ≥ 2) сегнетоэлектрических чувствительных элементов, выполненных из одного и того же сегнетоэлектрика, обладающего аффинным током переключения поляризации, вызывая в них полное и (или) частичное переключение поляризации при различных значениях Ej = Voμ-j1 напряженности поля E в сегнетоэлектрике, измеряют степень изменения поляризации сегнетоэлектрика ΔPj в каждом j-м чувствительном элементе, по измеренным значениям ΔPj из первой заранее полученной экспериментальной зависимости ΔP = f(t/τ) определяют отношения ηj длительности исследуемого импульса Tо к времени полного переключения сегнетоэлектрика τj при напряженностях поля Ej, из второй экспериментальной зависимости τ = ϕ/E по полученным значениям ηj и известным значениям μj определяют амплитуду V0 и длительность Tо иследуемого импульса, где τ - время полного переключения сегнетоэлектрика, t - текущее время, начиная с момента t = 0 воздействия исследуемого импульса на чувствительный элемент, mj - коэффициент пропорциональности между амплитудой V0 исследуемого импульса и напряженностью поля Ej, создаваемого им в сегнетоэлектрике j-го чувствительного элемента, определяемый расстоянием между электродами и схемой подключения j-го чувствительного элемента к нагрузке, в которой регистрируется импульс, j - номер чувствительного элемента, j = 1,2, ...,N.